超细纳米线森林的电催化性能研究

Portable energy devices are of great importance to the economy. Ethanol fuel cell is a popular research target due to its availability, low toxicity, and low temperature operation. In this proposal, we aim to use vertical ultrathin nanowires (3-5 nm diameter) as the electrode to achieve greatly improved electrocatalytic activity. In comparison to the conventional nanowires synthesized by chemical vapor deposition, the diameter of our nanowires is smaller by 1-2 orders of magnitude and the synthesis is now much simpler. Thus, we can easily achieve higher surface area and nanowire density. In combination with the high conductivity, ballistic electron transfer, and efficient mass transport, we expect the nanowire-based electrode will greatly exceed the performance of the current generation of ethanol fuel cell, thus enabling its use in portable electric devices.

随着手机、电脑、和汽车的发展，对清洁高效而便携的能源装置的需求日益增加。因为原料价廉易得，对环境危害小，装置简单，低温即可运行等优点，乙醇燃料电池成为新型能源装置中最具实际意义的代表之一，是当前纳米材料科学领域的研究热点。其中的关键技术就是寻找清洁、高效、稳定的催化剂。本项目拟以基底上垂直生长的超细金纳米线(3-5 nm直径)森林为平台，在导电材料基底上设计和制备金、铂、钯以及其他金属和材料杂化型的超细纳米线森林（合金、核壳以及超小纳米粒子修饰的超细纳米线）。我们拟将催化性能优异的金属和材料整合/杂化到我们的超细金纳米线森林平台，利用这个平台的优势：1）超大比表面；2）优异的导电性；3）出色的反应物扩散等独有的优点，得到高效稳定的乙醇电催化氧化催化剂，最终应用到乙醇燃料电池当中。基于此，进一步开展电催化方面的研究，拓展我们这个新型平台在电催化领域的应用，推动电催化体系的基础理论研究和实用。

随着手机、电脑等个人通讯与信息处理终端的普及，日益增长的电能需求衍生了极大的对于清洁、便携和稳定的能源供给装置的需求。其中，因具有常温常压稳定运行、清洁可再生、设备便携性较好等优点，醇燃料电池已成为新能源领域商用的优先选择，具有较大的商用前景。想要设计性能优异的醇燃料电池，关键的技术要点就是寻找清洁、高效且稳定性优异的催化剂，具体而言，其中阴极材料的性能及稳定性低往往是阻碍其进一步提高应用潜力的一大困难。在以往的研究工作中，对于阴极材料的设计，很多工作着力的重点在于如何通过引入其他无催化活性的金属、非金属或氧化物等掺杂或复合手段来进行对材料进行成分设计，以期增强其抗毒化性能，提升其催化性能及工作稳定性。与此同时，对于从形貌设计入手的催化剂设计，还停留在较为初步的阶段。该项目研究过程中，我们制备了在各种导电基底上垂直生长的超细金纳米线森林，构建了符合电催化反应要求（高比表面，适合反应物传输与扩散的金线孔隙，优良的电荷传输）的平台。在此基础上，制备出异金属杂化型的超细纳米线森林材料并完善了相应电极的制备流程，进一步制备了三元杂化超细纳米线电极。我们将超细多元金属纳米线森林在乙醇氧化和其他催化反应体系进行了大量测试后，也对其构效关系进行了充分的研究。继而我们探索并分析了二元贵金属纳米线森林在电化学催化乙醇氧化反应过程中导致催化剂性能降低的过程及毒化物种，通过对催化剂的形貌-效能关系及电池反应、老化机理的进一步探究来提高乙醇电池的性能和循环寿命，制备出具有优异稳定性的钯基乙醇氧化催化剂并将其应用于初代乙醇供电设备，以期应用在电动汽车和可再生能源存储领域。同时，拓展了非基底胶体溶液相中超细纳米线的制备工具箱。该研究从能源利用的角度出发，以设计清洁高效和稳定的催化剂为目标，是基本完成了开拓新材料的应用这一最终目标的基础研究，推动了乙醇电催化氧化的理论和实验方面的研究进展，加速其工业化应用进程。